science >> Wetenschap >  >> Fysica

Nieuwe studie lost mysterie op over hoe zachte vloeistofdruppels harde oppervlakken aantasten

Een nieuwe studie onder leiding van Twin Cities-onderzoekers van de University of Minnesota laat zien waarom vloeistofdruppels het vermogen hebben om harde oppervlakken te eroderen, een ontdekking die ingenieurs zou kunnen helpen bij het ontwerpen van meer erosiebestendige materialen. De bovenstaande afbeelding toont de impact die druppels kunnen hebben op een korrelig, zanderig oppervlak (links) versus een hard, gipsachtig (rechts) oppervlak. Krediet:Cheng Research Group, Universiteit van Minnesota

Een eerste in zijn soort onderzoek onder leiding van Twin Cities-onderzoekers van de University of Minnesota onthult waarom vloeistofdruppels het vermogen hebben om harde oppervlakken te eroderen. De ontdekking kan ingenieurs helpen om betere, meer erosiebestendige materialen te ontwerpen.

Met behulp van een nieuw ontwikkelde techniek konden de onderzoekers verborgen grootheden meten, zoals de schuifspanning en druk veroorzaakt door de impact van vloeistofdruppels op oppervlakken, een fenomeen dat alleen visueel is bestudeerd.

Het artikel is gepubliceerd in Nature Communications .

Onderzoekers bestuderen al jaren de impact van druppeltjes, van de manier waarop regendruppels de grond raken tot de overdracht van ziekteverwekkers zoals COVID-19 in aerosolen. Het is algemeen bekend dat langzaam druipende waterdruppels oppervlakken in de loop van de tijd kunnen eroderen. Maar waarom kan iets dat schijnbaar zacht en vloeiend is, zo'n enorme impact hebben op harde oppervlakken?

"Er zijn soortgelijke uitspraken in zowel oosterse als westerse culturen dat 'druipend water steen uitholt'", legt Xiang Cheng uit, senior auteur op het papier en een universitair hoofddocent aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota. "Zulke uitspraken zijn bedoeld om een ​​morele les te leren:'Wees volhardend. Zelfs als je zwak bent, als je continu iets blijft doen, maak je een impact.' Maar als je iets zo zachts als druppeltjes tegenkomt dat zo hard als stenen raakt, vraag je je af:'Waarom veroorzaakt de inslag van de druppel überhaupt schade?' Die vraag motiveerde ons onderzoek."

Bekijk een video waarin in slow motion wordt gedemonstreerd hoe een waterdruppel inslaat op een zandig oppervlak. Krediet:Universiteit van Minnesota

In het verleden is de impact van druppeltjes alleen visueel geanalyseerd met behulp van hogesnelheidscamera's. De nieuwe techniek van de onderzoekers van de Universiteit van Minnesota, hogesnelheidsstressmicroscopie genaamd, biedt een meer kwantitatieve manier om dit fenomeen te bestuderen door de kracht, spanning en druk onder vloeistofdruppels direct te meten wanneer ze oppervlakken raken.

De onderzoekers ontdekten dat de kracht die door een druppel wordt uitgeoefend zich daadwerkelijk verspreidt met de inslaande druppel - in plaats van geconcentreerd te zijn in het midden van de druppel - en dat de snelheid waarmee de druppel zich verspreidt de snelheid van het geluid in korte tijd overschrijdt, waardoor een schok ontstaat golf over het oppervlak. Elke druppel gedraagt ​​zich als een kleine bom, geeft zijn impactenergie explosief vrij en geeft hem de kracht die nodig is om oppervlakken in de loop van de tijd te eroderen.

Naast een nieuwe manier om de impact van druppeltjes te bestuderen, kan dit onderzoek ingenieurs helpen bij het ontwerpen van meer erosiebestendige oppervlakken voor toepassingen die de buitenelementen moeten doorstaan. Cheng en zijn laboratorium aan de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota zijn al van plan om dit onderzoek uit te breiden om te bestuderen hoe verschillende texturen en materialen de hoeveelheid kracht veranderen die door vloeistofdruppels wordt gecreëerd.

"We schilderen bijvoorbeeld het oppervlak van een gebouw of coaten windturbinebladen om de oppervlakken te beschermen", zei Cheng. "Maar na verloop van tijd kunnen regendruppels nog steeds schade veroorzaken door impact. Dus ons onderzoek na dit artikel is om te zien of we de hoeveelheid schuifspanning van druppels kunnen verminderen, waardoor we speciale oppervlakken kunnen ontwerpen die de stress kunnen verminderen. "

Naast Cheng bestond het onderzoeksteam uit Ph.D. student Ting-Pi Sun, Universiteit van Santiago, Chili Assistent-professor Leonardo Gordillo en niet-gegradueerde studenten Franco Álvarez-Novoa en Klebbert Andrade, en O'Higgins University, Chili Assistent-professor Pablo Gutiérrez. + Verder verkennen

Warmtegeleiding is belangrijk voor druppeldynamiek




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat doet ethanol in een DNA-extractie?
  2. Wanneer is de beste tijd van de dag om een ​​beslissing te nemen?
  3. Nieuwe manier om te voorkomen dat genetisch gemanipuleerde en ongewijzigde organismen nakomelingen produceren
  4. Kenmerken van Twins
  5. Studie kan bijdragen aan toolbox voor resourcemanagers
  6. Jonge vleermuizen leren vleermuisdialecten van hun nestgenoten
  7. Wat gebeurt er met een Zygote na de bevruchting?
  8. Het unieke pentraxine-koolzuuranhydrase-eiwit reguleert het vermogen van vissen om te zwemmen
  9. Genduplicatie die de celdeling lijkt te vertragen, zorgt ervoor dat Groenlandse walvissen langer leven

Wetenschap